В отряд Грейга включили корабли «Европа», «Ростислав», «Не тронь меня» и «Саратов», фрегаты «Надежда» и «Африка», бомбардирский корабль «Гром» и четыре брандера, командовать ими вызвались добровольцы капитан-лейтенант Дугдаль, лейтенанты Ильин и Макензи, мичман князь Гагарин. Корабли «Европа», «Ростислав» и «Саратов» должны были войти в Чесменскую бухту, «Не тронь меня» — занять место у входа в бухту, фрегат «Надежда» — подавить северную береговую батарею, а «Африка» — южную. Бомбардирский корабль, расположившись у входа в бухту, должен был метать на турецкие корабли бомбы и каркасы, брандеры же — находиться под парусами в ожидании команды Грейга на прорыв в Чесменскую бухту.
В период сражения была тихая лунная ночь. В полночь на «Ростиславе» зажгли три фонаря, сигнализирующие об атаке. Вначале несколько задержалась со снятием с якоря «Надежда», но затем сражение пошло строго по плану. Во втором часу ночи «каркас, брошенный с бомбардирского корабля, упал в рубашку грот-марселя одного из турецких кораблей; так как грот-марсель был совершенно сух и сделан из бумажной материи, то он мгновенно загорелся и распространил пожар по мачте и такелажу; грот-стеньга скоро перегорела и упала на палубу, отчего весь корабль тот час же был объят пламенем». В этот момент Грейг подал сигнал на атаку брандерами. Пока же все четыре брандера, находясь вне зоны огня, лежали в дрейфе. Увидев сигнал, брандеры прибавили парусов и пошли на сближение с неприятелем. Каждому брандеру были назначены корабли для атаки. Грейг предупреждал командиров, чтобы они по ошибке не сцеплялись с мелкими судами, поскольку пользы от такой атаки будет мало. На каждом брандере имелся десятивесельный катер с гребцами, на котором должны были возвратиться командир и команда.
Первый брандер капитан-лейтенанта Дугдаля был перехвачен турецкими галерами и взят на абордаж. Брандер все же успели поджечь, а команда пересела в катер и оторвалась от преследования. Второй брандер лейтенанта Макензи выскочил на мель, где его подожгла команда. Сам же Макензи на катере прошел вдоль берега и сумел захватить несколько мелких судов. Удачнее других действовал лейтенант Дмитрий Ильин. Когда его брандер сцепился с наветренным кораблем противника, он буквально на глазах у неприятеля поджег брандер, затем демонстративно воткнул в него горящий брандскугель и, не торопясь, спустился в катер. Отойдя на несколько метров от горящего корабля, Ильин скомандовал: «Суши весла!» — и некоторое время наблюдал за результатами своей атаки. Турецкий корабль со страшным грохотом взлетел на воздух. Сотни горящих обломков и искр осыпали близлежащие корабли. Пожар стал общим. Брандер мичмана Гагарина, пущенный по ветру, приткнулся к уже горевшему кораблю.
Тем временем корабли и фрегаты отряда Грейга усилили огонь, а другие корабли стреляли холостыми зарядами исключительно для морального воздействия на неприятеля. К трем часам ночи противник находился в жалком состоянии: корабли горели, как факелы, и взрывались один за другим. Вся бухта была окутана дымом.
«Легче вообразить, — писал в своем журнале Грейг, — чем описать ужас, остолбенение и замешательство, овладевшие неприятелем: целыя команды в страхе и отчаянии кидались в воду, поверхность бухты была покрыта множеством спасавшихся людей, но немного из них спаслось». В четвертом часу утра по приказанию Грейга огонь прекратили. Невредимыми оставались только два корабля. Но при буксировке на один из них попали горящие обломки, и он сгорел дотла, а другой — «Родос» — стал трофеем. Кроме того, были взяты пять галер и 22 медные пушки с береговых батарей. Этим и закончилось Чесменское сражение.
Потери русской эскадры составили 11 человек, в то время как турки потеряли более 10 тысяч человек и весь флот: 15 кораблей, 6 фрегатов и до 50 мелких судов.
«Блистая в свете не мнимым блеском, — писала Екатерина II графу Орлову, — флот наш под разумным и смелым предводительством вашим нанес сей чувствительный удар Оттоманской гордости. Весь свет отдает вам справедливость, что сия победа приобрела вам отменную славу и честь. Лаврами покрыты вы, лаврами покрыта и вся находящаяся при вас эскадра».
Императрица щедро наградила победителей. Граф Орлов получил орден Святого Георгия 1-й степени и титул Чесменского; адмирал Спиридов — орден Святого Андрея Первозванного; контр-адмирал Грейг — орден Святого Георгия 2-й степени; все командиры брандеров — ордена Святого Георгия 4-й степени и следующие чины со старшинством со дня победы; капитан-лейтенант Карташев за вывод из бухты корабля «Родос» — орден Святого Георгия 4-й степени. Всему флоту было объявлено монаршее благоволение, выдано в зачет годовое жалованье и 187 475 рублей за сожженные корабли противника. В память об этой победе была выбита медаль с изображением профиля императрицы, горящего турецкого флота и лаконичной надписью «Был».
13 сентября Екатерина II подписала интересный указ. «Граф Иван Григорьевич (Чернышов. — В.Д.)! Прикажите выдать пять тысяч рублей между женами и детьми в Средиземном море находящихся морских служителей по причине нынешней счастливой от Бога нам дарованной победы. Если на это в адмиралтейской коллегии лишней суммы нету, то возьмите у А.В. Олсуфьева, лишь бы порядочно роздано было».
15 сентября в Петропавловском соборе в присутствии императрицы Екатерины II и всей императорской фамилии по случаю Чесменской победы отслужили благодарственный молебен. После молебна митрополит Платон у гробницы Петра Великого произнес:
«Возстань теперь, Великий Монарх, отечества нашего отец! Возстань и воззри на любезное изобретение твое: оно не истлело от времени, и слава его не помрачилась. Возстань и насладись плодами трудов твоих! Флот, тобою устроенный, уже не на море Балтийском, не на море Каспийском, не на море Черном, не на океане Северском; но где? Опять на море Медитерранском, в странах восточных, во Архипелаге, близ стен Константинопольских, в тех тоесть местах, куда ты нередко око свое обращал и гордую намеревался смирить Порту. О, как бы твое, Великий Петр, сердце возрадовалось, если бы — но слыши! Мы тебе как живому вещаем, слыши: флот твой в Архипелаге, близ берегов Азийских, Оттоманский флот до конца истребил!»
Как и Петр I, Екатерина II со дня своего восшествия на престол уделяла большое внимание флоту и морякам. Стараясь выразить особую признательность морякам и желая поднять престиж флота, 29 июня 1763 года императрица назначила наследника престола великого князя Павла Петровича генерал-адмиралом флота. Церемония производства в этот высокий чин была торжественной и пышной: адмиралы вручили великому князю Андреевский флаг, под которым он в сопровождении императрицы и свиты совершил плавание из Адмиралтейства в Петропавловскую крепость. По окончании богослужения в доме обер-коменданта крепости Екатерина пожаловала великому князю кейзер-флаг, под которым он покинул Петропавловскую крепость. С этого времени, несмотря на юный возраст, Павел Петрович принимал деятельное участие в морских церемониях и торжествах.
Екатерина II и ее сподвижники приложили максимум усилий для того, чтобы поднять качество судостроения. В результате подводную часть кораблей стали обшивать медью, деревянные крепления заменяли железными, верхнюю палубу стали делать непрерывной. На нижнем деке 100-пушечных кораблей стали устанавливать мощные 36-фунтовые орудия, а в 1779 году на русских кораблях появились карронады. Инициатором их внедрения был адмирал Самуил Карлович Грейг.
В 1769 году Екатерина II учредила орден Святого Георгия Победоносца 4 степеней. По статусу его давали только за конкретные подвиги в военное время: «…тем, кои… отличили еще себя особливым каким мужественным поступком или подали мудрые и для нашей воинской службы полезные советы». Это была исключительно почетная награда. Начиная с 3-й степени орден давали только адмиралам, генералам и штаб-офицерам, а с 1838 года — тем, кто уже имел орден 4-й степени. Орден Святого Георгия 1-й степени был чрезвычайно почетным и редким. За подвиги в морских сражениях его получили только два человека — генерал-аншеф А.Г. Орлов-Чесменский и адмирал В.Я. Чичагов. Генерал-фельдмаршал Г.А. Потемкин-Таврический получил этот орден за взятие Очакова.